在高分辨率雷达、电子对抗、高速率通信等应用场合，对大功率、永磁聚焦和具有百兆赫兹以上带宽的W波段速调管放大器有着迫切的需求。带状电子注可以在保持较低电流密度的条件下显著提升工作电流，同时能够更好地适配平面结构高频电路，并因电路表面积大带来了结构热容量大的优势，从而可以将真空电子器件的性能提升到更高水平^[1]。虽然相较于传统的圆形注真空器件，带状注器件具有明显的功率优势，但不足之处是互作用效率较低，因而为有效提高整管效率，对其降压收集极的功率回收效率开展深入研究具有实际意义。

目前，应用于行波管的降压收集极技术已经较为成熟，能够回收高达80%的废弃电子注能量^[2]。早在1965年，Litton首次提出了降压收集极的概念，Wolkstein提出了一种单级降压收集极的设计方案，即通过设置沿电子注轴线延伸的中央金属柱，将空间电荷力最小化，同时允许来自螺线管聚焦系统的边缘磁场进入收集极区域，这有助于电子斜击收集极表面。2020年，王柳亚、丁海兵^[3]设计了一种Ka波段分布作用速调管多级降压收集极，通过粒子模拟，实现了68.8%的收集极回收效率。过往的降压收集极研究多集中于行波管和圆形电子注，但针对带状注速调管降压收集极的相关工作开展较少，暂时没有实际应用的报道。为系统研究降压收集极的回收效率提升路径，本文对某型W波段25 kV,4 A带状注分布作用速调管依次设计了单级、两级和三级降压收集极，通过对比分析其回收效率与电子运动特性，逐步优化结构与电位配置为实际工程应用提供参考。

在计算收集极内的电子运动轨迹之前，首先需要提取完成注波互作用的电子注状态。为此，在CST计算模型的互作用结构末端设置横截面粒子监视器，捕获输出状态稳定后一个高频周期内的所有粒子，并导出数据文件并对其进行分析处理，提取部分信息进行格式转换^[4]。

再根据下式求出各宏粒子对应的能量：

式中：$ \mathit{{u}_{{x}}{u}_{{y}}}\mathrm{\mathit{u}}_{\mathrm{\mathit{z}}} $分别代表电子在xyz三个轴方向上的速度。

统计出一个射频周期内携带不同能量的粒子数目，通过直方图直观体现电子能量分布状况与各能量级包含的电子数量，以此来确定收集极的初始电压。为与实际情况一致，计算中考虑了收集极区域存在的磁场对该区域电子注的约束作用。在对降压收集极研究之中，为避免对注波互作用过程的干扰，特别关注了收集极可能造成的电子返流。

如图1所示，曲线反映了收集极截获的电流$ {{I}}_{\text{coll}} $随所施加电压$ {{V}}_{\text{coll}} $的变化关系。图中$ {{V}}_{\text{knee}} $表示降压收集极电流开始下降的拐点电压。在不考虑互作用的直流情况下，当$ {{V}}_{\text{coll}} $不大于$ {{V}}_{\text{knee}} $时，全部电子都能顺利被收集极内表面截获，当$ {{V}}_{\text{coll}} $大于$ {{V}}_{\text{knee}} $，此时收集极电流开始减小，直到$ {{V}}_{\text{coll}} $大于$ {{V}}_{0} $时，所有的电子都不能克服管体与收集极之间的电势差，在电子到达收集极之前就被减速至零继而反向回流，此时$ {{I}}_{\text{coll}} $=0。当收集极没有施加电压即$ {{V}}_{\text{coll}} $=0，所有电子将无减速地直接为收集极截获，此时无功率回收。单级降压收集极回收功率由$ {{P}}_{\text{rec}} $=$ {{I}}_{1}{{V}}_{1} $确定，多级降压回收功率为：

降压收集极回收效率为：

其中$ P_{\text{sp}} $为相互作用之后的电子注携带功率。

理想情况下，即忽略截获损耗、线路损耗、谐波、交调损耗等，仅考虑电子注从开始与高频互作用之前到被降压收集极所收集的过程中EIK的总效率计算公式为：

在图1中，曲线下方的阴影部分面积表征了收集极所回收的功率。在单级降压收集极设计中，通常将收集极电压初始设定在电流转折点$ \mathrm{\mathit{V}}_{\text{knee}} $附近，此时阴影面积达到最大，即表示单级结构下的功率回收效果最优。对于多级降压收集极，其第一级电压也应设定在$ \mathrm{\mathit{V}}_{\text{knee}} $附近，第二级与第三级电压的确定，则需结合图2所示的电子能量分布特性，在$ \mathrm{\mathit{V}}_{\text{knee}} $与$ {{V}}_{0} $之间合理选取，使得多级回收功率公式所对应的阴影区域总面积尽可能扩大。通过反复仿真与优化调整各级电压配置，可最终实现收集极回收效率的最大化。

在带状注降压收集极入口处采用了匹配带状注形状的矩形方孔，内部采用圆柱形空腔，可以增加内部空间并有利于简化结构，而在入口处采用收口设计则是为了防止电子返流，初始确定其尺寸如图3所示。

由于磁聚焦结构在收集极区域仍存在尾场，在计算中考虑了该区域内磁场对电子轨迹再次聚焦的影响。参考图4，在不考虑尾磁聚焦的情况下，电子注进入到收集极内会很快发散，而考虑尾磁后的电子注则在运动一段距离后才开始发散。

将施加在单级降压收集极上的电压从−5 kV开始以−1 kV间隔逐步减小到−20 kV，扫参得到的收集极电流随电压变化的关系曲线如图5所示。

可看出初次拐点在−12 kV左右，收集极电压超过−12 kV后电流出现明显下降，这是因为管体与收集极之间的压差过大导致部分电子不能进入收集极就出现返转。对这个拐点电压做进一步的优化仿真，将收集极电压置于−12 kV到−10.8 kV范围内进行扫参计算，在互作用效率为12.5%的情况下（后文计算中同样取该值），表1列出各电压下对应的收集极效率。

在表2中当收集极电压为−11.9 kV时，出现电子返流现象，在不造成电子返流的情况下，收集极效率随着所施加电压值的增加而提高，最大回收效率为53.5%，对应电压为−11.7 kV，此后，随着收集极电压的升高电子开始出现返流。图6表示电压为−11.7 kV时收集极内电子轨迹图。

图7显示的是收集极电压为0 kV时的电子轨迹状态，与图6对比可明显看出电子注轨迹受到收集极压降的影响而呈现紊乱的状态。将收集极圆筒部分长度缩小至30 mm以下时，整管效率会出现下降，并伴随明显的电子返流现象。其物理机制是：当收集极与互作用区距离过近时，大量能量较低的电子在空间电荷力的作用下尚未充分发散，即被收集极电场反向加速，从而形成返流。通过仿真计算表明，收集极圆筒段长度大于50 mm后，其回收效率逐渐趋于稳定，不再随长度增加而有明显变化。将收集极圆筒部分半径扩大，同时也增大收集极入口斜锥面和中心轴线的夹角，此时重复上述步骤仿真计算，结果表明收集极通道半径增大对于回收效率影响较小。而将收集极通道半径缩小，则在收集极电压为−11.7 kV时会出现电子返流现象，为减小整管的重量，选择收集极圆筒内半径尺寸为7.5 mm。

采用多级降压收集极的目的是尽可能多地回收电子注的剩余能量，提高降压收集极的回收效率，同时也要考虑利于散热，避免电子返流，简化加工制备等问题。注波互作用越充分的电子注的离散程度越高，进而提高收集极能量回收效率的难度就越大。国内外众多学者从提高多级降压收集极的回收效率，避免电子返流等角度进行了深入研究。理论分析可知，随着降压级数的不断增多，收集极回收效率将趋近理论最大值。1982年，Kosmahl H G等^[5]采用了九级降压方案，使X波段圆形注速调管实现了81%的收集极回收效率。对于两级降压收集极，如果可使尽可能多的电子为第二级截获，这会更加有利于收集极回收效率的提升。同时，需要对第二级圆筒的入口锥角进行调整，以便更好地拦阻反向运动的电子^[6]。考虑到真空中的击穿场强低于10 kV/mm，对两级间隙处的锥角结构进行优化，使两级间最小距离大于0.5 mm。第一电极的通道长度取为43 mm，第二电极的通道长度初始值选为50 mm，第二电极略长于第一电极是为了能够更多地获得电流。初步确定两级降压收集极结构如图8所示。

在两级降压收集极结构中，第一级电压应当低于第二级电压，为得到更多的仿真结果，将第一级电压设置为−7 kV，然后将第二级电压从−11.5 kV开始以0.1 kV的间隔逐渐减小到−12.1 kV进行扫参计算，类似地，将第一极电压取为−8 kV后，第二级电压从−11.5 kV开始以0.5 kV的间隔逐渐减小到−12.1 kV进行扫参计算，以此类推调整两个电极上的电压，在不出现电子返流的前提下，得到一、二级电压适配状态下的最佳回收效率如下表2所示。

据此，可确定第一极电压−11.7 kV，第二极电压−12.1 kV对应的收集极回收效率达到最大值53.6%，可见相较于单级降压收集级的回收效率没有明显提升。此时保持第一级电压为 −11.7 kV，在保持无电子返流的情况下继续增大第二级压降。在第二级压降为−13.3 kV时，收集极回收效率为54.0%。

将第一级长度缩小15 mm，此时第一级电流减小，第二级电流有所增加，回收效率为54.45%，但有少数电子从两电极间的缝隙中漏出，这是因为第二级压降过大，锥角附近的电场改变电子的运动方向，致使部分电子逃逸，如图9与图10示。

随着第一级的长度继续减小，明显第二级电流有所增加，整体回收效率略有提高，但同时电子逃逸现象更加严重，并在第一级长度过短时，出现电子返流。为减小电子的逃逸，两级的间隙处应当设置在电子轨迹的束流收缩处附近，如图11所示的电子轨迹图，电子注轨迹沿着z轴越来越杂乱，当两级间隙处位于束腰位置靠前时，既可以有效降低电子的逃逸现象，又可以减小第一级上的回收电流。上述单级和两级降压收集极的仿真结果，对三级降压收集极的优化设计提供了借鉴。

鉴于两级降压收集极存在电子逃逸现象且回收效率提升有限，为进一步提高回收效率并优化电子截获分布，本文设计了两种三段式降压收集极结构进行总体效果对比。三级降压收集极将对比如图12所示套筒设计和锥角设计两种结构的总体效果。根据两级降压收集极的设计经验，尽量减小前两级的长度，让更多的电子截获在第三级上，增加第三级上的电流可提高回收效率。

选取三组预设电压值，其中第一组对应的各电极电压依次为−5 kV,−7 kV和−9 kV，第二组各级电压依次为−9 kV，−11.1 kV和−15 kV，第三组各级电压依次为−11.1 kV，−11.6 kV和−20 kV。统计三个级数上接收的电子数总和，除以初始发射电子数目72735，计算出收集极上电子截获率，以此来比较电子逸出的程度。

如图13所示套筒式与锥角式两种结构在回收电子数上效果基本一致，在回收效率上套筒结构优于锥角结构设计。在包含三个电极时，通常最末级截获的电流最低，第一级和第二级截获的电流基本相等。在第三组电压的基础上重新调整各级电压值，仿真结果如下表3所示。

由仿真结果分析表明，当第三级电压低于−17 kV后就会出现电子返流现象。所以第三级的压降最低只能设置为−17 kV。在总体电流的分配中，第三级电流在0.5 A上下浮动。可以注意到，收集极回收效率因为第三级截获电流值过低而相较于单级降压收集极没有提升。

为减小第一级，第二级上截获的电流，增加第三级电流，选取套筒式结构进行优化，减小第一级，第二级长度，增加第三级长度。

优化后的三级降压收集极结构如图14所示，确定第三级电压为−17 kV，调整前两级的压降值，表4列出调整后的计算结果。

优化后的降压收集极回收效率有所提升，在三个电极上的电压分别为−11.1 kV，−13 kV和−17 kV时，收集极达到最大回收效率68.0%。这是因为通过适当减小前两级的长度，前两级上截获电子的数目大幅度下降，更多的电子截获在第三电极上，从而增加了第三级的电流。同时，第一，第二级电压过低，也会导致电子返流现象的发生。电子返流现象也受第一级和第二级长度的影响，同等电压下，过多减小第一级和第二级的长度容易引起电子返流。

由于带状注速调管中电子的速度零散较大、互作用效率较低，因此引入降压收集极进一步提高整管效率是一项必要且有效的措施。本文针对带状注速调管的降压收集极进行仿真研究，结果表明单级降压收集极的回收效率为53.5%，三级降压收集极回收效率在结构优化之后达到68.0%，EIK的总效率从12.5%提升到28.8%。相比较于单级降压收集极有明显提升，符合理论预期。本文的算例中，两级降压收集极因缺少对结构的优化而没有明显回收效率提升。这表明在降压收集极的回收效率上，结构的优化设计尤为重要。降压收集极设计的关键在于电位值和结构的最优匹配，在避免电子返流的情况下，最大限度增加第三级上所截获的电流，能够显著提高收集极整体的回收效率。为进一步提高降压收集极的回收效率，后续对尾磁约束下的电子运动进行优化，使得低速电子尽快地发散截获将成为继续提高降压收集极回收效率的研究方向。